Design for Reliability and Low Power in Emerging Technologies

Die fortlaufende Verkleinerung von Transistor-Strukturgrößen ist einer der wichtigsten Antreiber für das Wachstum in der Halbleitertechnologiebranche. Seit Jahrzehnten erhöhen sich sowohl Integrationsdichte als auch Komplexität von Schaltkreisen und zeigen damit einen fortlaufenden Trend, der sich über alle modernen Fertigungsgrößen erstreckt. Bislang ging das Verkleinern von Transistoren mit einer Verringerung der Versorgungsspannung einher, was zu einer Reduktion der Leistungsaufnahme führte und damit eine gleichbleibenden Leistungsdichte sicherstellte. Doch mit dem Beginn von Strukturgrößen im Nanometerbreich verlangsamte sich die fortlaufende Skalierung. Viele Schwierigkeiten, sowie das Erreichen von physikalischen Grenzen in der Fertigung und Nicht-Idealitäten beim Skalieren der Versorgungsspannung, führten zu einer Zunahme der Leistungsdichte und, damit einhergehend, zu erschwerten Problemen bei der Sicherstellung der Zuverlässigkeit. Dazu zählen, unter anderem, Alterungseffekte in Transistoren sowie übermäßige Hitzeentwicklung, nicht zuletzt durch stärkeres Auftreten von Selbsterhitzungseffekten innerhalb der Transistoren. Damit solche Probleme die Zuverlässigkeit eines Schaltkreises nicht gefährden, werden die internen Signallaufzeiten üblicherweise sehr pessimistisch kalkuliert. Durch den so entstandenen zeitlichen Sicherheitsabstand wird die korrekte Funktionalität des Schaltkreises sichergestellt, allerdings auf Kosten der Performance. Alternativ kann die Zuverlässigkeit des Schaltkreises auch durch andere Techniken erhöht werden, wie zum Beispiel durch Null-Temperatur-Koeffizienten oder Approximate Computing. Wenngleich diese Techniken einen Großteil des üblichen zeitlichen Sicherheitsabstandes einsparen können, bergen sie dennoch weitere Konsequenzen und Kompromisse. Bleibende Herausforderungen bei der Skalierung von CMOS Technologien führen außerdem zu einem verstärkten Fokus auf vielversprechende Zukunftstechnologien. Ein Beispiel dafür ist der Negative Capacitance Field-Effect Transistor (NCFET), der eine beachtenswerte Leistungssteigerung gegenüber herkömmlichen FinFET Transistoren aufweist und diese in Zukunft ersetzen könnte. Des Weiteren setzen Entwickler von Schaltkreisen vermehrt auf komplexe, parallele Strukturen statt auf höhere Taktfrequenzen. Diese komplexen Modelle benötigen moderne Power-Management Techniken in allen Aspekten des Designs. Mit dem Auftreten von neuartigen Transistortechnologien (wie zum Beispiel NCFET) müssen diese Power-Management Techniken neu bewertet werden, da sich Abhängigkeiten und Verhältnismäßigkeiten ändern. Diese Arbeit präsentiert neue Herangehensweisen, sowohl zur Analyse als auch zur Modellierung der Zuverlässigkeit von Schaltkreisen, um zuvor genannte Herausforderungen auf mehreren Designebenen anzugehen. Diese Herangehensweisen unterteilen sich in konventionelle Techniken ((a), (b), (c) und (d)) und unkonventionelle Techniken ((e) und (f)), wie folgt: $\textbf{(a)}$ Analyse von Leistungszunahmen in Zusammenhang mit der Maximierung von Leistungseffizienz beim Betrieb nahe der Transistor Schwellspannung, insbesondere am optimalen Leistungspunkt. Das genaue Ermitteln eines solchen optimalen Leistungspunkts ist eine besondere Herausforderung bei Multicore Designs, da dieser sich mit den jeweiligen Optimierungszielsetzungen und der Arbeitsbelastung verschiebt. $\textbf{(b)}$ Aufzeigen versteckter Interdependenzen zwischen Alterungseffekten bei Transistoren und Schwankungen in der Versorgungsspannung durch „IR-drops“. Eine neuartige Technik wird vorgestellt, die sowohl Über- als auch Unterschätzungen bei der Ermittlung des zeitlichen Sicherheitsabstands vermeidet und folglich den kleinsten, dennoch ausreichenden Sicherheitsabstand ermittelt. $\textbf{(c)}$ Eindämmung von Alterungseffekten bei Transistoren durch „Graceful Approximation“, eine Technik zur Erhöhung der Taktfrequenz bei Bedarf. Der durch Alterungseffekte bedingte zeitlich Sicherheitsabstand wird durch Approximate Computing Techniken ersetzt. Des Weiteren wird Quantisierung verwendet um ausreichend Genauigkeit bei den Berechnungen zu gewährleisten. $\textbf{(d)}$ Eindämmung von temperaturabhängigen Verschlechterungen der Signallaufzeit durch den Betrieb nahe des Null-Temperatur Koeffizienten (N-ZTC). Der Betrieb bei N-ZTC minimiert temperaturbedingte Abweichungen der Performance und der Leistungsaufnahme. Qualitative und quantitative Vergleiche gegenüber dem traditionellen zeitlichen Sicherheitsabstand werden präsentiert. $\textbf{(e)}$ Modellierung von Power-Management Techniken für NCFET-basierte Prozessoren. Die NCFET Technologie hat einzigartige Eigenschaften, durch die herkömmliche Verfahren zur Spannungs- und Frequenzskalierungen zur Laufzeit (DVS/DVFS) suboptimale Ergebnisse erzielen. Dies erfordert NCFET-spezifische Power-Management Techniken, die in dieser Arbeit vorgestellt werden. $\textbf{(f)}$ Vorstellung eines neuartigen heterogenen Multicore Designs in NCFET Technologie. Das Design beinhaltet identische Kerne; Heterogenität entsteht durch die Anwendung der individuellen, optimalen Konfiguration der Kerne. Amdahls Gesetz wird erweitert, um neue system- und anwendungsspezifische Parameter abzudecken und die Vorzüge des neuen Designs aufzuzeigen. Die Auswertungen der vorgestellten Techniken werden mithilfe von Implementierungen und Simulationen auf Schaltkreisebene (gate-level) durchgeführt. Des Weiteren werden Simulatoren auf Systemebene (system-level) verwendet, um Multicore Designs zu implementieren und zu simulieren. Zur Validierung und Bewertung der Effektivität gegenüber dem Stand der Technik werden analytische, gate-level und system-level Simulationen herangezogen, die sowohl synthetische als auch reale Anwendungen betrachten

Scalability of broadcast performance in wireless network-on-chip

Networks-on-Chip (NoCs) are currently the paradigm of choice to interconnect the cores of a chip multiprocessor. However, conventional NoCs may not suffice to fulfill the on-chip communication requirements of processors with hundreds or thousands of cores. The main reason is that the performance of such networks drops as the number of cores grows, especially in the presence of multicast and broadcast traffic. This not only limits the scalability of current multiprocessor architectures, but also sets a performance wall that prevents the development of architectures that generate moderate-to-high levels of multicast. In this paper, a Wireless Network-on-Chip (WNoC) where all cores share a single broadband channel is presented. Such design is conceived to provide low latency and ordered delivery for multicast/broadcast traffic, in an attempt to complement a wireline NoC that will transport the rest of communication flows. To assess the feasibility of this approach, the network performance of WNoC is analyzed as a function of the system size and the channel capacity, and then compared to that of wireline NoCs with embedded multicast support. Based on this evaluation, preliminary results on the potential performance of the proposed hybrid scheme are provided, together with guidelines for the design of MAC protocols for WNoC.Peer ReviewedPostprint (published version

Many-core and heterogeneous architectures: programming models and compilation toolchains

1noL'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmentopen677. INGEGNERIA INFORMATInopartially_openembargoed_20211002Barchi, Francesc

Broadcast-enabled massive multicore architectures: a wireless RF approach

Broadcast traditionally has been regarded as a prohibitive communication transaction in multiprocessor environments. Nowadays, such a constraint largely drives the design of architectures and algorithms all-pervasive in diverse computing domains, directly and indirectly leading to diminishing performance returns as the many-core era is approaching. Novel interconnect technologies could help revert this trend by offering, among others, improved broadcast support, even in large-scale chip multiprocessors. This article outlines the prospects of wireless on-chip communication technologies pointing toward low-latency (a few cycles) and energy-efficient broadcast (a few picojoules per bit). It also discusses the challenges and potential impact of adopting these technologies as key enablers of unconventional hardware architectures and algorithmic approaches, in the pathway of significantly improving the performance, energy efficiency, scalability, and programmability of many-core chips.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Error tolerant multimedia stream processing: There's plenty of room at the top (of the system stack)

There is a growing realization that the expected fault rates and energy dissipation stemming from increases in CMOS integration will lead to the abandonment of traditional system reliability in favor of approaches that offer reliability to hardware-induced errors across the application, runtime support, architecture, device and integrated-circuit (IC) layers. Commercial stakeholders of multimedia stream processing (MSP) applications, such as information retrieval, stream mining systems, and high-throughput image and video processing systems already feel the strain of inadequate system-level scaling and robustness under the always-increasing user demand. While such applications can tolerate certain imprecision in their results, today's MSP systems do not support a systematic way to exploit this aspect for cross-layer system resilience. However, research is currently emerging that attempts to utilize the error-tolerant nature of MSP applications for this purpose. This is achieved by modifications to all layers of the system stack, from algorithms and software to the architecture and device layer, and even the IC digital logic synthesis itself. Unlike conventional processing that aims for worst-case performance and accuracy guarantees, error-tolerant MSP attempts to provide guarantees for the expected performance and accuracy. In this paper we review recent advances in this field from an MSP and a system (layer-by-layer) perspective, and attempt to foresee some of the components of future cross-layer error-tolerant system design that may influence the multimedia and the general computing landscape within the next ten years. © 1999-2012 IEEE

Dynamic Power Management for Neuromorphic Many-Core Systems

This work presents a dynamic power management architecture for neuromorphic many core systems such as SpiNNaker. A fast dynamic voltage and frequency scaling (DVFS) technique is presented which allows the processing elements (PE) to change their supply voltage and clock frequency individually and autonomously within less than 100 ns. This is employed by the neuromorphic simulation software flow, which defines the performance level (PL) of the PE based on the actual workload within each simulation cycle. A test chip in 28 nm SLP CMOS technology has been implemented. It includes 4 PEs which can be scaled from 0.7 V to 1.0 V with frequencies from 125 MHz to 500 MHz at three distinct PLs. By measurement of three neuromorphic benchmarks it is shown that the total PE power consumption can be reduced by 75%, with 80% baseline power reduction and a 50% reduction of energy per neuron and synapse computation, all while maintaining temporary peak system performance to achieve biological real-time operation of the system. A numerical model of this power management model is derived which allows DVFS architecture exploration for neuromorphics. The proposed technique is to be used for the second generation SpiNNaker neuromorphic many core system

Run-time resource allocation for embedded Multiprocessor System-on-Chip using tree-based design space exploration

The dynamic nature of application workloads in modern MPSoC-based embedded systems is growing. To cope with the dynamism of application workloads at run time and to improve the efficiency of the underlying system architecture, this paper presents a novel run-time resource allocation algorithm for multimedia applications with the objective of minimizing energy consumption for predefined deadlines. This algorithm is based on a novel tree-based design space exploration (DSE) method, which is performed in two phases: design-time and run-time. During design time, application clustering is combined with the tree-based DSE, and after that, feature extraction and application classification is performed during run-time based on well-known machine learning techniques. We evaluated our algorithm using a heterogeneous MPSoC system with several applications that have different communication and computation behaviors. Our experimental results revealed that during runtime, more than 91% of the applications were classified correctly by our proposed algorithm to select the best resources for allocation. Therefore the results clearly confirm that our algorithm is effective